JP6261752B2 - 給電用接続板 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、研究、医療、工業分野に用いられる加速器等における電磁石において、給電に用いる接続板に関するものである。

従来の加速器では、電磁石の種類別に電源と接続するため、加速器の周囲に種類別にケーブルを敷設しており、例えば電源と偏向電磁石を並列して接続していたため、偏向電磁石の数に比例するケーブル数が必要で、全体として多量のケーブルを使用しなければならなかった。また、従来、加速器等の電磁石同士を直列的に接続するため、電源ケーブルを使用しているものがあった。また、上記いずれの例においても、電源と電磁石との接続にはケーブルが用いられていた。（例えば、特許文献１、２参照）

特開平７−１７６４００号公報（図３） 特開２０００−３４０４００号公報（図１）

従来の電磁石の接続の際には、以上のように構成されているので、現地で電磁石へ電源ケーブルを接続する作業の際、特に大電流を必要とする大型電磁石の場合には、大口径の電源ケーブルを多数敷設する必要があり、敷設時における接続作業が煩雑となり、大口径の電源ケーブルは曲げ難いなど取り扱いが容易でない点もあり、作業負荷も非常に大きく、非効率的であり、また非経済的であるなどの問題点があった。

また、電源ケーブルは地面上に敷設されるために設置場所が制約されることや、他の機器の配線や冷房設備の配管との干渉を避けるために、設置ルートの制約が大きいなどの問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、複数の電磁石への接続に際して、複数の接続板を用いて前記複数の電磁石に給電することにより、現地工事の省力化、据付スペースの有効活用を実現する接続板を提供することを目的としている。

ここで接続板とは、加速器に用いられる電磁石と電磁石の間を電気的に接続する板のことで、材質には導電性に優れた金属（例えば銅）を使用するものである。

本発明に係る給電用接続板は、
環状に配置された複数の電磁石の外周位置に、径方向に２枚が間隔を置いて一組として、長手方向に複数組並べて配置された給電用接続板であって、
前記一組の接続板の内の１枚と、隣接する別組の接続板の内の１枚とが接続板の長手方向の端で接続されるとともに、
前記一組の接続板の１枚の一端と前記別組の接続板の１枚の一端とが、ともに前記一組の接続板の他の１枚とは離隔するように前記径方向に折り曲げられ、この折り曲げた部分で前記一組の接続板の１枚と前記別組の接続板の１枚とを直列に接続して前記複数の電磁石へ給電するものである。

粒子線を加速する加速器等の電磁石と電源とを接続する際に、複数の接続板を使用する場合において、導電性の接続板を直列的に接続することにより、ケーブルを使用した場合に比較して、接続作業の作業負荷の軽減を図ることができ、効率的に接続作業を行える。また、少ない設置面積で接続することができるため、設置のための費用を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る接続板を含んだ加速器システムの一例を示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係る接続板を含んだ加速器の一例を示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係る接続板の接続方法を説明するための図である。 図２のＡ部（接続エリア）拡大図である。 図４のＣＣ断面を示す図である。 図４のＤ矢視を示す図である。 本発明の実施の形態１による偏向電磁石接続部の一部拡大図である。 本発明の実施の形態１による接続板とケーブルとの取合い接続部の一部拡大図である。 本発明の実施の形態１に係る接続板により電磁石に印加される電流パターンの一例を示す図である。 ケーブルを用いた場合の、加速器における電源と偏向電磁石間の一般的な接続方法を示す概念図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は、本実施の形態１による加速器であるシンクロトロン１が用いられている装置、例えば粒子線治療装置など、の平面図を示す。入射器１００のイオン源で発生した水素イオン（陽子）、あるいは炭素イオンの集合である粒子線は、入射器１００の直線加速器によって所定のエネルギーまで予備的に加速される。予備的に加速された粒子線は入射器から出射され、各種の電磁石によって偏向、収束と発散、軌道補正を受けながらシンクロトロン１へと導かれる。シンクロトロン１は、粒子線が、加速器であるシンクロトロン１内で周回軌道を周回するように、偏向電磁石２、軌道補正用電磁石３、収束または発散用電磁石４などの各種の電磁石を備えており、高周波加速空洞５が形成する加速電界を繰り返し受ける。この場合、粒子線は高周波加速空洞５の加速電界によって繰り返し加速されるため、その運動エネルギーが加速とともに高くなる。運動エネルギーが高くなるにつれ、粒子線の偏向などに必要な磁場強度が変化するため、シンクロトロン１を構成する各種の電磁石２〜４、および高周波加速空洞５に加速電界を与えるための高周波源などは、時間によって印加する電流などの運転パラメータを変化させて運転、すなわちパターン運転させる必要がある。これらパターン運転させる機器を加速機器群１０と以下称する。

シンクロトロン１中の粒子線が設定エネルギーまで到達し、粒子線の取り出しが可能となったタイミングで、加速機器群１０を出射運動パターンで運転することにより、出射用電極４１によって、粒子線は出射軌道へと導かれる。出射軌道の粒子線は、出射用電磁石４２で運動の向きを偏向され、シンクロトロン外の粒子線輸送部４３へと送り出される。ここで、出射させる粒子線を出射軌道に導く出射用電極４１、および出射軌道から粒子線輸送部４３に向けて粒子線の運動の向きを偏向させる出射用電磁石４２を出射機器群４０と以下称する。これらの出射機器群４０は加速機器群１０の各機器とは異なり、パターン運転するのではなく、出射させる粒子線のエネルギーに対応した設定値に設定される。

また、粒子線輸送部４３に導かれた粒子線は、別の偏向電磁石４３ａ、４３ｂなどにより、走査器５０ａ、線量を計測する線量モニタ５０ｂなどを備えた粒子線治療装置５０など、シンクロトロン１外の装置へ誘導され、使用に供される。

図２は、加速器であるシンクロトロン１、およびこれに使用されている各種電磁石２〜４に電流を印加する接続板群２０の構成を説明する平面図である。この図において、接続板群２０は、シンクロトロン１を環状に構成する各種電磁石の外周を囲うように２枚１組を単位とする複数組で構成された、材質が例えばＣｕの接続板（ブスバーとも呼ばれる。以下同様）２１によって構成され、略八角形の辺状に配置されている。なお、ここでは接続板群２０の構成を略八角形の辺の形として説明したが、接続板群が各種電磁石の外周を囲うように構成されていれば、必ずしも八角形状である必要はなく、八角形状以外の多角形の辺状であってもよい。また、図示しないが、各種電磁石冷却用の冷却設備は、上記接続板群２０を囲うように、この接続板群２０のさらに外周に同様の形状で設置される。

次に上記接続板群２０の役割を説明するため、図２を用いて、さらに詳しく説明する。この接続板群２０の接続板２１は、シンクロトロン１の偏向電磁石２、軌道補正用電磁石３、収束または発散用電磁石４などの各種電磁石に電流を印加するため、電流供給部６の構成要素である電磁石電源７からケーブル８、および取合い接続部９を介して、偏向電磁石２などへ直列に接続されている（なお、電磁石電源は磁石の種類毎に別々に設置されているが、この図では偏向電磁石２へ接続される電磁石電源７を代表して記載し、その他の電磁石電源等については、簡略化するため図示せず）。また、この接続板群２０は、組立作業の容易さなどを考慮して２枚１組の複数組の接続板２１に分割し接続板の長手方向に直列に並べて構成するようにするため（詳細は後述）、一続きの八角形状の辺の途中に複数箇所の接続のための折り曲げ接続部２２、および偏向電磁石との接続部である偏向電磁石接続部２３を設けている。さらに、上記接続板２１が配置されている経路中において自重により撓まないようにするため、途中、複数箇所で上記接続板２１を固定、または支持するため、中間固定板２４、挟持板２５が複数、設けられている。上述したように図２では簡略化のため、各種電磁石と接続板との接続は、シンクロトロン１の主電磁石である偏向電磁石２との接続のみを図示するものを示した。偏向電磁石２以外の他の電磁石である軌道補正用電磁石３、収束または発散用電磁石４に電源から接続板を用いて電流を供給する場合も、印加電流等の運転パラメータが異なるだけであり、各電磁石電源から複数の各電磁石へ、ケーブルを介して電流を供給する構成は同様である。なお、印加電流等については後ほど詳述する。

次に上記接続板群２０の作用機能について、図３を用いて説明する。図３は、シンクロトロン１の電磁石として代表的な電磁石である偏向電磁石２を採り上げ、この電磁石と接続板群２０とを接続した場合の概念説明図であり、このような構成にした場合について、以下説明する。図中、電磁石電源７にケーブル８が出口側（例えば右側）に２本、入口側に２本、の計４本接続され、取合い接続部９を介して左右の偏向電磁石２に接続されている。この偏向電磁石２は、図２に示すように計４台で構成されているが、この４台の偏向電磁石の隣接する偏向電磁石同士は、各偏向電磁石の偏向電磁石接続部２３で、接続板群２０の分割された（１）（２）（３）で示した各接続板により、互いに直列に接続される。従って、接続板２１は全部で１２個必要なことがわかる。

一方、従来のケーブルを用いた方式では、必要なケーブルの数は電源から取合い接続部９までは上記接続板群を用いた場合と同じ計４本であるが、図１０に示すように、取合い接続部９と各偏向電磁石の偏向電磁石接続部２３間は、それぞれ４本のケーブルが用いられているため（図中太い曲線部分に（１）〜（４）と記載したのは、これらの部分のケーブルは各１本ずつ配置されているのではなく、各箇所とも計４本のケーブルが使用されていることを示している）、全部で２０本となるので本数も接続板に比較して多い。これは、１本のケーブルのみに電流を流すとすると流すべき電流値が大きいため、さらに太いケーブルが必要となり、作業性が非常に悪くなるためである。従って、この図に示すように複数本で構成している。また、偏向電磁石２には１０００アンペアオーダーの大電流を流す必要があるため、上記のように、各箇所に４本ずつ計２０本のケーブルを配置した場合でも、各ケーブルのサイズ（例えば直径に代表されるサイズ）が上記接続板のサイズより大きくなり、結果としてケーブルの設置に必要な敷地面積比換算で、接続板を使用した場合の２〜３倍となる。逆に言えば、接続板を用いた場合には、接続板を設置するのに必要な敷地面積（接続板だけの設置に必要な面積）は、従来のケーブルを用いた場合の半分以下で済むということになる。

そこで、次に、複数の接続板からなる接続板群２０を、各電磁石の周りに、具体的にどのように設置するかについて、上記接続板２１、および折り曲げ接続部２２の接続部の詳細構造を説明しつつ、図４を用いて説明する。図４は図２のＡ部（接続エリア）拡大図である。接続板群２０は組立作業等の取扱いを容易にするため、複数の接続板に分割して構成されている。図４はこれら複数の接続板を直列に接続する接続エリアの平面構成を示している。図において、２枚の接続板２１ａと２１ｂが、この接続エリアの右端側に配置された中間固定板２４、および左側に配置された挟持板２５でそれぞれ、固定、または挟持されるとともに、合わせ板２６ａを用いて、ねじ締結部２７を用いｘ方向（接続板の長手方向。以下同様）に接続されている。同様に、２つの折り曲げ接続部２２ａと２２ｂが、この接続エリアの右端側に配置された中間固定板２４、および左側に配置された挟持板２５でそれぞれ、固定、または挟持されるとともに、合わせ板２６ｂを用いて、ねじ締結部２７を用いてｘ方向に接続されている。なお、合わせ板は構成上、必須の要素ではなく、２枚の接続板を直接重ね合わせて接続してもよい。なおｙ方向は、シンクロトロン１を構成する各種電磁石の環状設置位置の径方向（以下同様）であり、本図では上側がその内周側に当たる。
このような接続部で接続される接続板が、これら接続部を境として、隣接する２台の偏向電磁石間に３組づつ直列に接されて構成され（隣接する２台の偏向電磁石２ｃ、２ｄ間で分割された接続板を図２中の符号（１）、（２）、（３）として代表的に示す。他の隣接する２台の偏向電磁石間でも同様）、全部で３×４個、すなわち１２個の接続板が使用されている。

このように、接続エリアにおいて、Ｓ字状に折り曲げた折り曲げ接続部２２を接続板の一部に設けたことで、分割された接続板を直列に接続する接続状態を強固なものとし、かつ作業を容易にする狙いがある。なお、２枚の接続板の接続部分のうち、内側の接続部分である折り曲げ接続部２２を折り曲げた理由は、２枚の接続板が近接している場合においても、ねじ締結部２７による締結作業を容易になしうるようにするためである。

図５は、図４のＣＣ断面を示す図である。厚さｈ_１、幅ｈ_２の隣接する２組のセットである接続板２１ａ、２１ｃ（この２組セットで上記各１枚（上記図２の各（１）、（２）、（３）に対応する）の接続板に相当する）が中間固定板（材質：ガラスエポキシ積層板）２４により、厚さｈ_３の絶縁材で構成される絶縁スペース（材質：ガラスエポキシ積層板）２８を隔てて固定されている。この図において、ｚ方向は接続板の幅方向であり、高さ方向に相当する（以下の図でも同様）。接続板の厚さｈ_１、幅ｈ_２は、接続板に流す電流の電流密度の許容値により規定される。また、接続板の長さLは、取り付け時の作業をスムーズに進めるため、重量を適正な範囲に保つ目的もあり、１ｍ〜２ｍ程度（例えば、厚さｈ_１＝１０ｍｍ、幅ｈ_２＝１２５ｍｍ）の長さに設定される。このように、接続板の固定に中間固定板を用いた場合には、接続板の下方向（ｚ方向と逆方向で重力方向）への曲げ量を、中間固定板を用いない場合に比較して１０分の１程度に抑えることができる。

また、通常、接続板の厚さｈ_１、絶縁板の厚さｈ_３などはシンクロトロン１の外周のサイズに比較して０．０１以下の無視できる値であり、平面的には、接続板の設置位置は、シンクロトロン１のほぼ外周上にあるとも言える。従って、接続板のサイズ（特に厚さ方向のサイズ（２ｈ_１＋ｈ_３））に対して外径サイズが２倍以上となるケーブルを設置する場合、特に、ケーブルをシンクロトロン１の各電磁石の外側の地上に設置する必要がある場合には、必要設置面積はさらに大きくなる。言い換えると接続板を用いた場合には、必要な敷地面積はケーブルを用いた場合に比較してケーブルサイズ分、減らすことができる効果がある。

さらに、通常これらの接続板は設置基準面から高さｈ_４の位置に設置されるため、接続板（あるいは中間固定板）の下部空間Ｓが形成されるので、敷地面積に制約がある場合などにおいては特に、ケーブルを使用する場合に比較して下部空間Ｓが有効利用できる効果（例えば冷却設備配管の設置スペースとして一部を利用できるなど）がある。なお、ケーブルの場合は、通常は設置基準面（例えば地上）に直に設置されるため、上記下部空間Ｓは無い。

図６は図４のＤ矢視を示す図である。幅ｈ_２の接続板２１（詳しくは、２枚の接続板２１ａ、２１ｂがねじ締結部２７を用いて直列に接続される）は、設置基準面から高さ（設置基準高さ。以下同じ）ｈ_４の位置に、中間固定板２４により固定され、挟持板２５に挟持されて設置される。２９ａ、２９ｂ、２９ｃは締結用ボルトである。

図７は、図２の偏向電磁石接続部２３の一部拡大図であり、偏向電磁石に電流を供給するため、接続板２１と偏向電磁石の接続端３０の接続状態を模式的に示したものである（実際にはボルトナットを用いてねじ締結している）。通常、偏向電磁石２などの電磁石は、設置基準面から高さｈ_４の位置より、接続板２１の幅ｈ_２の距離以上の、さらに高い位置（＞ｈ_２＋ｈ_４）に設置されるため、図に示したように、この部分で接続板はL字形状を有し、上方（図のｚ方向）に折れ曲がった構造となっている（接続板２１ｄ、２１ｅ参照）。このような形状とすることにより、偏向電磁石への電流を供給する接続板の接続作業を容易にすることができる。なお、ここでは例として偏向電磁石２を採り上げて説明したが、この電磁石に限らず、軌道補正用電磁石３、または収束または発散用電磁石４などでも同様の議論が成り立つことは言うまでもない。

次に、図２の記号Ｂで示した取合い接続部エリアの取合い接続部９について説明する。この取合い接続部９は、電磁石電源７から電磁石に電流を供給するためのケーブル８と、以上説明してきた接続板群２０とが接続される部分である。この取合い接続部の一部拡大図である、ケーブル８との接続部分の図を図８に示す。この図でケーブル８は電磁石電源７から２本ずつに分かれて（図中の８ａ、８ｂおよび８ｃ、８ｄ参照）、ケーブル端で各々、圧着端子３１を介して、中間固定板２４に固定された２つの接続板２１ｆ、２１ｇに接続される（図３の説明参照）。なお、この場合も、設置基準面からの接続板の中間固定板２４への取り付け位置（目標設置高さ）はｈ_４で、図５〜図７の場合と同様である。

以上図５〜図８に示したように、接続板の中間固定板２４への取り付け位置（高さ）は常にｈ_４で統一されているため、これを設置する作業において、取り付け作業者が、例えばクレーンなどを用いて所定位置に接続板を取り付ける場合において、作業の標準化も容易であり設置作業の効率を上げることが可能となる。

以上説明したように、少ない設置面積でシンクロトロン１の設備全体を設置するには、従来のケーブルを用いた方式よりも、上記接続板群２０を用いた方式がより有利であることがわかる。また、シンクロトロン１を稼働させるためには、電流の供給設備である接続板群２０の他に、上述の冷却設備も必要となることから、冷却設備のための敷地もさらに必要となる。このような場合においても、上記下部空間Ｓの利用などを考慮すると、ケーブル方式より、接続板群２０を用いる方式がより有利であることがわかる。

次に、接続板の形状を決める要素の１つである印加電流等の運転パラメータについて、図９を用いて以下説明する。この図は偏向電磁石など、シンクロトロンに用いられる電磁石に流す電流の運転パターンの一例を示す模式図である。偏向電磁石は図２に示したように複数設置されるため、陽子などを加速するに当たっては、これらを同期させて運転する必要がある。そのため、これらの電磁石に印加する電流パターンは図９に示すように、台形状の電流を1サイクルとしてパターン化したものを使用する。

この図において、縦軸は印加する電流値を示し、横軸は経過時間を示す。また、時間軸上ｔ_１で示した電流が上昇する部分（記号Ｅで示した部分）の電流値の単位時間当たりの変化量と、時間軸上ｔ_３で示した電流が下降する部分（記号Ｇで示した部分）の電流値の単位時間当たりの変化量は同じである。また、記号Ｆ１、Ｆ２で示した部分（それぞれ時間軸上ｔ_２、ｔ_４で示した部分）は電流値が一定の部分であり、Ｆ１部分では最大電流値Ａ_１、Ｆ２部分では最小電流値Ａ_２にパターン化されている。ここで、Ｆ２の部分を設けた理由は、記号Ｇで示した部分（傾きがマイナスの部分）から、直接記号Ｅで示した部分（傾きがプラスの部分）に電流値を急激に変化させることは、現実には難しく、Ｆ２部分のような電流変化のないフラットな部分を設ける必要があるためである。

以上において、偏向電磁石では、Ａ₁は１０００Ａのオーダの電流値であり、Ａ₂は１０分の１のオーダの電流値が通常設定される。また、収束または発散用電磁石４などでは、最大電流値Ａ₁が１桁程度小さい値となり、最小電流値Ａ₂も１／４以下の値に設定されるなど電磁石の種類によって印加電流のパターンは異なるものとなっている。そして、これらの印加電流に対応して決まる単位断面積当たりの許容電流値を１つの基準として、使用する接続板のサイズ、すなわち、ｈ１、ｈ２が決定される。すなわち、最大電流値Ａ ₁ が
許容電流値以下となるように接続板ｈ１、ｈ２のサイズを決定する必要がある。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形省略することが可能である。例えば、以上の説明においては、折り曲げ接続部はシンクロトロンの内周側に位置する場合を例に説明したが、この場合に限らず、折り曲げ接続部はシンクロトロンの外周側に位置する場合でも、同様の効果を奏する。

１ シンクロトロン、２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 偏向電磁石、
３ 軌道補正用電磁石、４ 収束または発散用電磁石、
５ 高周波加速空洞、６ 電流供給部、７ 電磁石電源、８ ケーブル、
９ 取合い接続部、２０ 接続板群、
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ、２１ｇ
接続板、２２、２２ａ、２２ｂ 折り曲げ接続部、
２３ 偏向電磁石接続部、２４ 中間固定板、２５ 挟持板、
２６ 合わせ板、２７ ねじ締結部、３０ 接続端、Ａ 接続エリア、
Ｂ 取合い接続部エリア、ｈ１（接続板の）厚さ、ｈ２（接続板の）幅、
ｈ４ 設置基準面からの高さ、Ｌ 接続板の長さ、
ｘ 長手方向、ｙ 径方向、ｚ 幅方向。

Claims (3)

1. 環状に配置された複数の電磁石の外周位置に、径方向に２枚が間隔を置いて一組として、長手方向に複数組並べて配置された給電用接続板であって、
   前記一組の接続板の内の１枚と、隣接する別組の接続板の内の１枚とが接続板の長手方向の端で接続されるとともに、
   前記一組の接続板の１枚の一端と前記別組の接続板の１枚の一端とが、ともに前記一組の接続板の他の１枚とは離隔するように前記径方向に折り曲げられ、この折り曲げた部分で前記一組の接続板の１枚と前記別組の接続板の１枚とを直列に接続して前記複数の電磁石へ給電することを特徴とする給電用接続板。
2. 前記給電用接続板は、前記一組の接続板の長手方向であって前記直列に接続した部分の反対側に前記一組の接続板を固定する中間固定板を配置し、前記別組の接続板の長手方向であって前記直列に接続した部分の反対側に前記別組の接続板を挟持する挟持板を配置することにより、前記複数の電磁石が設置される設置基準面より高い位置に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の給電用接続板。
3. 前記給電用接続板は、Ｌ字状に折り曲げられた端部を備え、前記端部で各電磁石の接続端である電磁石接続部と接続されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の給電用接続板。

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